(Phys.org) - Använda grafen - antingen som ett alternativ till, eller troligen som ett komplementmaterial med – kisel, erbjuder löftet om mycket snabbare framtida elektronik, tillsammans med flera andra fördelar jämfört med den vanliga halvledaren. Dock, Det har visat sig svårt att skapa de enatoms tjocka arken av kol som kallas grafen på ett sätt som enkelt kan integreras i massproduktionsmetoder.

När grafen odlas, gallren i kolkornen bildas slumpmässigt, sammanlänkade i olika orienteringsvinklar i ett sexkantigt nätverk. Dock, när dessa riktningar blir felriktade under tillväxtprocessen, defekter som kallas korngränser (GB) bildas. Dessa gränser sprider flödet av elektroner i grafen, ett faktum som är skadligt för dess framgångsrika elektroniska prestanda.

Forskarna Joe Lyding och Eric Pop från University of Illinois Beckman Institute och deras forskargrupper har nu gett ny insikt i elektronikbeteendet hos grafen med korngränser som kan styra tillverkningsmetoder mot att minska deras effekt. Forskarna odlade polykristallint grafen genom kemisk ångavsättning (CVD), använda scanning tunneling mikroskopi och spektroskopi för analys, att undersöka i atomär skala korngränser på en kiselwafer. De rapporterade sina resultat i tidskriften ACS Nano .

"Vi fick information om elektronspridning vid gränserna som visar att det signifikant begränsar den elektroniska prestandan jämfört med korngränsfri grafen, "Sa Lyding." Korngränser bildas under grafentillväxt av CVD, och, samtidigt som det finns många ansträngningar över hela världen för att minimera förekomsten av korngränser, de är ett faktum för nu.

"För elektronik skulle du vilja kunna göra det i en wafer-skala. Gränsfri grafen är ett nyckelmål. Under tiden måste vi leva med korngränserna, så att förstå dem är vad vi försöker göra."

Lyding jämförde grafengaller tillverkade med CVD-metoden med bitar av ett cyklonstaket.

"Om du hade två staket, och du lade dem på marken bredvid varandra men de var inte helt i linje, då skulle de inte matcha, "sa han." Det är en spannmålsgräns, där gallret inte matchar."

Forskningen involverade Pops grupp, ledd av Beckman Fellow Josh Wood, odling av grafen på Micro- och Nanotechnology Lab, och överföring av de tunna filmerna till en kiselskiva (Si02). De använde sedan STM vid Beckman utvecklad av Lyding för analys, ledd av försteförfattaren Justin Koepke från Lydings grupp.

Deras analys visade att när elektronernas resplan tar dem till en korngräns, det är som, Lyding sa, slå i en kulle.

"Elektronerna träffade den här kullen, de studsar iväg, de stör sig själva och du ser faktiskt ett stående vågmönster, " sa han. "Det är en barriär så de måste gå upp och över den kullen. Som allt annat, det kommer att sakta ner dem. Det var vad Justin kunde mäta med dessa spektroskopimätningar.

"I grund och botten är en korngräns ett motstånd i serie med en ledare. Det är alltid dåligt. Det betyder att det kommer att ta längre tid för en elektron att komma från punkt A till punkt B med viss spänning applicerad."

Bilder från STM avslöjar korngränser som antyder två tygstycken som sys ihop, Lyding sa, av "en riktigt dålig skräddare".

I tidningen, forskarna kunde rapportera om sin analys av orienteringsvinklarna mellan grafenbitarna när de växte ihop, och hittade "ingen föredragen orienteringsvinkel mellan korn, och GBs är kontinuerliga över grafenrynkor och Si02-topografi." De rapporterade att analys av dessa mönster "indikerar att backscattering och intervalley-spridning är de dominerande mekanismerna som är ansvariga för mobilitetsminskningen i närvaro av GBs i CVD-odlad grafen."

Lyding sa att förhållandet mellan grafenbitarnas orienteringsvinkel och en elektrons våglängd påverkar elektronens rörelse vid korngränsen, leder till variationer i deras spridning.

"Mer spridning innebär att det gör det svårare för en elektron att flytta från ett korn till nästa, " sa han. "Ju svårare du gör det, desto lägre är kvaliteten på den elektroniska prestandan för alla enheter gjorda av den grafenen."

Forskarnas arbete syftar inte bara till att förstå, men också på att kontrollera korngränserna. En av deras upptäckter – att GB är aperiodisk – replikerade annat arbete och kan ha konsekvenser för att kontrollera dem, som de skrev i tidningen:"Att kombinera de spektroskopiska och spridningsresultaten tyder på att GB som är mer periodiska och välordnade leder till minskad spridning från GB."

"Jag tror att om du måste leva med korngränser skulle du vilja kunna styra exakt vad deras orientering är och välja en vinkel som minimerar spridningen, "Sa Lyding.